台达PLC在乳化机控制系统中的应用

1 序言

       真空均质乳化机（简称乳化机）主要应用于化工、医药、生物、食品等诸多领域中非均相液一固和液一液多相体分散体系的混合。目前该设备在国内主要是采用传统的继电器控制系统构成，操作人员需要根据经验和仪表显示输入指令或数据进行手动操作，自动化程度不高，同时控制系统存在操作繁琐、温度控制超调量大、能耗高等缺点。

2 乳化机的工作过程

2.1 工作原理

       乳化机由乳化锅、水相锅、油相锅、真空装置、温度控制系统、电气控制系统等组成。
生产工艺流程如图1所示[1，2]。油溶性和水溶性原料分别在油相锅和水相锅内熔化或溶解，温度一般保持在80℃左右，将用水蒸气加热的油相和水相原料通过过滤器加至乳化锅内，以进行均质搅拌、乳化和真空脱气。然后，向夹套通入冷水，冷却到一定温度后，添加香精，继续冷却至要求的温度停止搅拌，待恢复常压即可出料。

2.2 工作过程

       (1)油相锅、水相锅进料后，启动油相、水相搅拌电机，在线设定油相、水相电机的转速；
       (2)设定油相锅、水相锅控制温度后，启动油相锅、水相锅的温度控制；
       (3)当油相锅、水相锅内原料初处理完成后，启动油相锅、水相锅出料泵，将初处理后的物料泵入乳化锅内；
       (4)当油相锅、水相锅内的物料完全泵入乳化锅内后，出料泵停止运行。启动液压电机，垂直下降主搅拌器与均质搅拌器，当下降到位时，液压电机停止工作，然后手动旋紧密封阀；
       (5)当真空乳化锅密封后，启动主搅拌、均质搅拌电机。转速将从零上升到用户的设定值，并可根据不同的加工要求，在线改变主搅拌、均质搅拌电机的转速；
       (6)启动真空泵电机，乳化锅负压力不断变大，最终将达到用户设定值；达到用户设定值后真空泵电机自动停止；
       (7)启动乳化锅温度控制，自动对乳化锅进行加热控制，控制方法采用模糊PID恒温控制，乳化锅内原料将被加热到用户设定温度；
       (8)当乳化工作完成后，通过排气口减小乳化锅内负压力，当乳化锅压力为零时，打开出料阀，排出乳化品。

图1 乳化生产工艺流程

3 控制系统的构成

3.1 控制系统的结构

       根据系统设计要求，实现油相、水相、主搅拌、均质搅拌电机转速控制，控制范围依次是10rpm~1500rpm、10rpm~1500rpm、10rpm~80rpm、100rpm~4500rpm；实现油相锅、水相锅、乳化锅温度的智能控制，控制量范围依次是：0~100℃、0~140℃、20~140℃；实现乳化压力控制，控制范围为-100Kpa~+100Kpa和液压升降控制。

       系统的结构如图2所示。控制系统主要由上位机、下位机两个部分组成，上位机采用台达的HMI(DOP-B)[3]；下位机采用台达DVP48EH00R系列的PLC[4]；电机的转速控制，采用台达VFD系列变频器实现。
 

图2 乳化机控制系统结构图

3.2 控制系统的模块划分

       系统的控制部分可以划分为各种模块，如图3所示。

      （1）压力采集模块

       实现将压力仪表的模拟电压信号转化为PLC可以识别的数字量信号，压力表的信号通过PLC的AD(DVP-04AD-H)模拟量输入模块采样到PLC中。

       （2）温度采集模块

       油相锅、水相锅和乳化锅的使用铂电极(Pt100)测量温度，采用三线制接法。信号通过PLC的TM（DVP-04PT-H）PT100模块采样到PLC中。

      （3）连锁保护模块

       设置硬件和软件双重安全连锁装置，保证乳化锅在抽真空的过程中不能打开锅盖，液压站也不能启动。

图3 乳化机控制系统模块图

3.3 PLC容量选择

乳化机控制系统的I/O点数分析见表1。

表1 I/O点数分析表

3.4 变频器的选择及通信

       乳化机系统有主搅拌电机1个，均质电机1个，液压站电机1个，真空泵1个，功率均为KW级，对于电能的消耗大，由于变频器具有调速节能和软启动节能的作用，因此考虑选择用变频器。

       本系统中选用台达VFD-M和B系列的变频器。根据人机界面上控制的转速设定，输出4～20mA的信号以调节电机的转速，变频器的运行需要和PLC进行MODBUS通信来确定是否启动或停止。

4 控制系统的软件设计

4.1 软件设计的基本要求

       操作功能主要是方便操作，需要人机对话界面。系统的规模越大，自动化程度越高，要求也越复杂，比如下拉式菜单设计、趋势报警、I/O信息的显示以及有关数据、表格的更新存储和输出等。图4为设计的乳化锅人机界面。

图4 乳化锅人机界面

4.2 I/O信号及数据结构分析

       工业现场的检测信号是多种多样的，有模拟量也有开关量，PLC就以这些现场的数据作为对被控对象进行控制的源信息。通过对PLC的工作现场数据进行分析，确定了每一个I/O信号的地址。依据生产过程从前至后，I/O点数由小到大的原则把I/O信号集中编址。部分I/O信号的分配见表2。

表2 I/O信号的分配表

4.3 温度控制

       乳化机的温度控制系统是以三个锅的温度为被控制参数，冷却水流量为控制参数的回路控制。由于锅温系统是具有大滞后和时变性的系统，被调量不能及时反映系统受到的扰动，调节器的动作需经过一定的滞后时间才能影响被调量，经常会引起系统的响应超调过大或发生振荡，导致系统过渡到其他操作状态，用常规PID控制很难得到满意的控制结果。

       本控制系统采用台达公司的DVP48EH00R系列的PLC为核心部件，实现恒温控制，控制系统的原理框图如图5所示[5]。PLC根据采集的信号计算出偏差e(t)和偏差变化率ec(t)，按照模糊PID的控制规则计算控制量u(t)，并输出控制量u(t)。经过PLC的D/A转换，变成4～20mA的电流信号，送到调节阀来调节蒸汽或者冷却水的流量，实现系统温度的智能控制。

图5 控制系统结构图

5 总结

       本文采用台达PLC、HMI、变频器设计了一套均质机自动控制系统，开发成本低、操作方便，能够实现在线监视、控制和警报。目前控制系统运行良好，显著提高了乳化控制系统的自动化程度，降低了控制系统的超调量，减少系统运行时间，有效降低乳化机能耗。

作者简介

张相胜(1977-）男 讲师，硕士，主要从事生产过程建模与优化控制方向的研究。

参考文献
[1]裘炳毅.乳化作用及其在化妆品工业的应用（五）乳状液的形成及其特性 [J].日用化学工业，2000，30(4)：56-60.
[2]吴元欣，朱圣东，陈启明等.新型反应器与反应器工程中的新技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
[3]DVP-B系列人机界面使用手册[Z].上海：中达电通股份有限公司，2010.
[4]DVP PLC.应用技术手册（程序篇）[Z].上海：中达电通股份有限公司，2006.
[5]张相胜.潘丰基于PLC的均质机控制系统设计[J].机电工程，2010，27（10）：9-12.